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膨胀阀对陈列柜内温度分布影响的对比实验研究
冯 军1，孙宗鑫1，陈蕴光1，徐正本1，袁秀玲1，崔 勇2，金德毅2
摘 要：对热力膨胀阀和电子膨胀阀控制下陈列柜内的温度分布做了实验研究。结果表明，在热力膨胀阀控制下，陈列柜内的温度分布情况与电子膨胀阀相差不大。在目前的实际应用中，热力膨胀阀基本能满足一般客户对陈列柜的使用要求，没有必要大规模进行电子膨胀阀的替代。
关键词： 电子膨胀阀； 热力膨胀阀； 陈列柜
1 引言
随着制冷技术的不断发展，对制冷剂流量的控制要求也越来越高，由于热力膨胀阀的某些固有缺陷无法克服，人们对电子膨胀阀展开了大量的应用研究，并取得了显著的成果，很多学者认为电子膨胀阀替代热力膨胀阀势在必行。但是，很多制冷产品都有其特殊性，一个部件是否有必要进行替代应考虑诸多因素。在陈列柜中，柜内温度对食品冷藏冷冻有比较大的影响，因而能否使柜内温度得到改善，应成为电子膨胀阀在陈列柜中使用时要考虑的主要因素。为了比较热力膨胀阀和电子膨胀阀在陈列柜中的实际控制性能，本文对两种膨胀阀控制下的陈列柜内的温度做了对比实验研究，进而对膨胀阀的应用有了更为全面的了解。
2 分析与比较
在制冷系统中，膨胀阀的流量调节性能对蒸发器利用率、变负荷适应能力有很大的影响。热力膨胀阀由于发展历史长，技术比较成熟，几乎应用于所有类型的制冷系统中。但是，随着社会的发展以及对能源问题的关注，促使人们开始寻求一种新的膨胀阀，节能、维护方便、整体控制等成为关键。
为了适应这种形势，人们对电子膨胀阀进行了广泛的研究，发现在某些方面它更适应当前制冷设备的控制要求。比如在热泵中，由于结构和原理所限，热力膨胀阀无法使制冷和制热同时运行在最佳状态。不仅如此，由于冬季和夏季热泵机组的制冷量不同，单个热力膨胀阀无法在这两种情况下进行有效的调节。而电子膨胀阀却可以满足热泵机组全年的运行工况。此外，对于带有压缩机能量变频调节的制冷系统，使用电子膨胀阀可以很好的配合系统的全电子集中控制。
可见，若想提高制冷产品的层次，电子膨胀阀的应用必不可少。但是，我们也应该看到，受特定系统本身的设计限制，再加上一些相关部件的匹配问题，在很多实际情况下，电子膨胀阀的优势并不能很好的体现出来。
在陈列柜中，电子膨胀阀的使用的确可以改善某些方面的性能。比如使蒸发器的传热系数更加均匀，从而减小蒸发器的传热温差等。但是从整体的角度看，使用电子膨胀阀所带来的好处并不像想象中的那么大。
首先，陈列柜不像热泵型空调等一些制冷系统那样蒸发温度变化范围特别大，因而就目前而言，热力膨胀阀已基本能满足控制使用要求。另外，由于变频压缩机、变频风机并没有广泛的应用于陈列柜，电子膨胀阀在目前的陈列柜产品中并不能充分发挥其效果。其次，电子膨胀阀一般必须和特定的模块配合才能很好的发挥其控制能力，如果为了使用电子膨胀阀而增加控制模块及其它软硬件，肯定会增加系统的成本。
由于价格是目前一些消费者购买商品时考虑的主要因素，因此电子膨胀阀的使用如果不能使产品的整体性能得到明显的改善，没有必要为此增加产品的市场售价，以至于影响竞争力。当今，由于一些先进技术的应用，温包的充注型式得到了改进，使热力膨胀阀的控制特性得到了很大的改善，仅仅从陈列柜内温度控制的角度来看，和电子膨胀阀的差别并不是很大。因而在目前的陈列柜生产实践中，如果顾客对系统及使用没有特殊的要求，没有必要进行全面的电子膨胀阀替代。
为了比较热力膨胀阀与电子膨胀阀的温度控制性能，我们在一台陈列柜上做了相关试验，由于只是从实际应用的角度考虑，本次实验只比较与冷藏冷冻食品有关的柜内温度及其一些变化情况。
3 实验装置介绍
试验采用的热力膨胀阀是丹佛斯（DANFOSS）公司的外平衡热力膨胀阀，名义制冷量为6.0kW。电子膨胀阀使用的是丹佛斯ADAP－KOOL系列AKV10型电子膨胀阀，名义制冷量为7.1kW。电子膨胀阀采用丹佛斯的AKC114A型蒸发器控制器进行控制，图1为该控制器的连接示意图。
AKC114A采用脉宽调制，通过改变占空比（一个周期开阀的时间/一个周期的时间）控制对膨胀阀线圈的通电或断电，调节阀的开启或关闭时间，周期为6s。可以通过控制面板对各种控制要求进行设定。一个周期内阀开启和关闭时间取决于系统的负荷，当系统需要快速降温时，膨胀阀开启的时间就增加，甚至整个周期处于开启状态；当系统的制冷量趋于稳定时，膨胀阀的开启时间相对来说就比较少。
4 实验结果及分析
图2、图3分别为热力膨胀阀和电子膨胀阀控制下柜内温度的变化情况。
实验数据显示，在热力膨胀阀控制下，系统启动22min后，内层风幕出口温度达到－20℃；电子膨胀阀到达这一温度时经历了21min，说明电子膨胀阀的响应速度较快。从开始启动到柜内温度基本稳定，热力膨胀阀经历了约为75min，电子膨胀阀却经历了93min，热力膨胀阀快了28min。因为这种电子膨胀阀的开度只有全开和全闭两种情况，与热力膨胀阀相比，起始阶段的调节更容易引起波动，所以达到稳定所需的时间就更长一些。
表1为两种情况下柜内温度特性的对比。当内层风幕出口温度达到－20℃的时候，热力膨胀阀控制下柜内的平均温度为－10.6℃，电子膨胀阀为－11.4℃，电子膨胀阀的送风温差小了0.8℃，这与送风湿度不同有关。当柜内温度稳定以后，热力膨胀阀和电子膨胀阀控制下内层风幕平均出口温度分别为－27℃及－26.8℃，两者差别不大。在热力膨胀阀控制下，柜内温度稳定后，上层隔板的平均温度为－22.3℃，中层隔板为－18.5℃，下层隔板为－17.3℃；电子膨胀阀与之对应的温度分别为－22.5℃、－17.8℃和－16.1℃。可见，热力膨胀阀控制下的柜内温度要更均匀一些。此外，在电子膨胀阀控制下，柜内平均温度稳定后为－18.8℃；热力膨胀阀为 －19.4℃，相比之下，更接近设计要求。
从上面的分析可以看出，电子膨胀阀的使用并没有给陈列柜的温度分布带来很大的改善。相反，在温度到达稳定的时间、柜内空气温度均匀性方面热力膨胀阀比电子膨胀阀要更好一些。需要指出的是，由于本次实验是在一定的条件下做的，因此不一定能推广到其它条件或其它制冷产品。
5 结语
本文对热力膨胀阀和电子膨胀阀控制下陈列柜柜内温度进行了研究。在两种情况下，陈列柜柜内温度特性差别不大。因此在陈列柜实际应用中，如果对系统或者控制没有特殊的要求，热力膨胀阀已经基本能满足要求。没有必要全面实施电子膨胀阀的替代。
参考文献
[1] 谈磊，陆震，范林. 风冷式热泵机组应用中电子膨胀阀与热力膨 胀阀的比较制冷技术[J]. 2001，(4) ：22～24 .